Collegamenti imbullonati e saldati lunghi (AISC)

Mark D. Denavit e Rick Mulholland hanno preparato questo esempio di verifica nell'ambito di un progetto congiunto tra The University of Tennessee e IDEA StatiCa.

Descrizione

In questo studio viene presentato un confronto tra i risultati del metodo degli elementi finiti basato sui componenti (CBFEM) e i metodi di calcolo tradizionali utilizzati nella pratica statunitense per i collegamenti imbullonati e saldati lunghi con carico applicato alle estremità. Lo studio si concentra sugli stati limite di taglio dei bulloni per i collegamenti imbullonati lunghi e di rottura della saldatura per i collegamenti saldati lunghi. Particolare attenzione è dedicata all'effetto della deformazione differenziale che produce una distribuzione non uniforme del carico tra gli elementi di fissaggio e una tensione non uniforme nelle saldature d'angolo lunghe. Vengono presentati anche confronti con risultati sperimentali.

I calcoli tradizionali sono eseguiti in conformità alle disposizioni per la progettazione a fattori di carico e resistenza (LRFD) dell'AISC Specification (AISC 2022). I risultati CBFEM sono stati ottenuti da IDEA StatiCa versione 23.0. I carichi massimi ammissibili sono stati determinati in modo iterativo, regolando il carico applicato in ingresso a un valore che il programma considera sicuro, ma che, se aumentato di una piccola quantità (0,1 kip), il programma considererebbe non sicuro per il superamento del limite di deformazione plastica del 5% o per il superamento del 100% dello sfruttamento dei bulloni o delle saldature. Le analisi di tipo DR possono aiutare a identificare i carichi massimi ammissibili. Tuttavia, poiché nella valutazione della resistenza di progetto del giunto viene introdotta una certa approssimazione, tutti i risultati di questo rapporto sono basati sull'analisi di tipo EPS.

Requisiti per i collegamenti imbullonati e saldati lunghi nell'AISC Specification

Esperimenti e analisi di collegamenti imbullonati e saldati lunghi con carico applicato alle estremità hanno dimostrato che la tensione nei bulloni e nelle saldature non è uniforme (Kulak et al. 2001, Miller 2003). La tensione nei bulloni e nelle saldature in prossimità delle estremità del collegamento è maggiore rispetto a quella nella zona centrale. La distribuzione della tensione lungo la lunghezza dipende dalla rigidezza dei bulloni o delle saldature rispetto alla rigidezza dei materiali collegati. L'AISC Specification tiene conto di questo comportamento mediante semplici riduzioni di resistenza.

Collegamenti imbullonati

La resistenza di progetto, \(\phi R_n\), per lo stato limite di taglio del bullone è definita nella Sezione J3.7 dell'AISC Specification come:

\[ \phi R_n = \phi F_{nv} A_{b} \]

dove:

• \(\phi=0.75\)
• \(F_{nv}\) – tensione di taglio nominale del bullone
• \(A_b\) – area nominale del corpo non filettato del bullone

La Tabella J3.2 dell'AISC Specification riporta i valori della tensione di taglio nominale degli elementi di fissaggio e delle parti filettate, F_nv. La nota [c] della tabella afferma: "Per i collegamenti con carico applicato alle estremità con una lunghezza dello schema di elementi di fissaggio superiore a 38 in. (950 mm), F_nv deve essere ridotto all'83,3% dei valori tabulati", e definisce la lunghezza dell'elemento di fissaggio come "la distanza massima parallela alla linea d'azione tra l'asse dei bulloni che collegano due parti con una superficie di contatto."

La tensione di taglio nominale, F_nv, è una percentuale della tensione di rottura a trazione del bullone, ­F_u, e viene calcolata secondo il commentario dell'AISC Specification come segue:

• Quando i filetti sono esclusi dai piani di taglio,

\[ F_{nv} = 0.563 F_u \]

• Quando i filetti non sono esclusi dal piano di taglio,

\[ F_{nv} = 0.45 F_u \]

Il fattore 0,563 è uguale a 0,625, il rapporto di resistenza taglio/trazione, moltiplicato per 0,90, un fattore di riduzione per la lunghezza. Il fattore 0,45 è l'80% di 0,563 e tiene conto della riduzione di area della parte filettata. Il fattore di riduzione per la lunghezza pari a 0,90 tiene conto della deformazione differenziale nei collegamenti fino a 38 in., oltre i quali viene applicato un ulteriore fattore di riduzione per la lunghezza di 0,833, per un fattore di riduzione combinato di 0,90 × 0,833 = 0,75 per gli effetti della lunghezza. Questi fattori di riduzione si basano su un'analisi statistica dei dati di prova provenienti da 79 collegamenti imbullonati e rivettati nell'ambito di 11 diverse indagini sperimentali (Tide, 2010).

Collegamenti saldati

La resistenza di progetto, \(\phi R_n\), per lo stato limite di rottura della saldatura è definita nella Sezione J2.4 dell'AISC Specification come:

\[ \phi R_n = \phi F_{nw} A_{we} k_{ds} \]

dove:

• \(\phi\) – fattore di resistenza
• \(F_{nw}\) – tensione nominale del metallo di apporto
• \(A_{we}\) – area efficace nominale della saldatura
• \(k_{ds}\) – fattore di incremento della resistenza direzionale

Il fattore di incremento della resistenza direzionale, k_ds, è calcolato come:

\[ k_{ds} = (1.0+0.5 \sin^{1.5} \theta ) \]

dove \(\theta\) è l'angolo tra la linea d'azione della forza richiesta e l'asse longitudinale della saldatura. Per i collegamenti esaminati in questo studio, \(\theta = 0\) e quindi \(k_{ds} = 1\) per i calcoli tradizionali. In IDEA StatiCa, \(\theta\) è determinato dalle forze risultanti in ciascun segmento di saldatura e può variare da zero (ad esempio a causa dell'effetto Poisson).

La Tabella J2.5 dell'AISC Specification fornisce i valori di \(\phi\) e F_nw per le saldature caricate a taglio, rispettivamente pari a 0,75 e 0,60F_EXX­, dove F­_EXX è la resistenza di classificazione del metallo d'apporto.

L'area efficace nominale della saldatura, A_we, è definita per le saldature d'angolo nella Sezione J2.2a dell'AISC Specification come la lunghezza efficace moltiplicata per la gola efficace, dove la gola efficace è la distanza minima dalla radice alla faccia della saldatura, e la lunghezza efficace è la lunghezza della linea mediana della saldatura lungo il centro del piano passante per la gola.

La Sezione J2.2b(d) dell'AISC Specification fornisce le seguenti limitazioni sulla lunghezza efficace delle saldature d'angolo con carico applicato alle estremità:

• Per le saldature d'angolo con una lunghezza fino a 100 volte la dimensione della saldatura, è consentito assumere la lunghezza efficace uguale alla lunghezza reale
• Quando la lunghezza della saldatura d'angolo supera 100 volte la dimensione della saldatura, la lunghezza efficace deve essere determinata moltiplicando la lunghezza reale per il fattore di riduzione, β, calcolato come:

\[ \beta = 1.2-0.002 (l/w) \le 1.0 \]

dove:

\( l \) – lunghezza reale della saldatura con carico applicato alle estremità

\(w\) – dimensione del lato della saldatura d'angolo

• Quando la lunghezza della saldatura supera 300 volte la dimensione del lato, w, la lunghezza efficace deve essere assunta pari a 180w.

Secondo il commentario dell'AISC Specification (AISC 2022), il fattore di riduzione β è un'approssimazione semplificata di formule esponenziali basate su molti anni di prove e modelli agli elementi finiti ed è equivalente alla riduzione prevista dall'Eurocode (CEN 2005).

Collegamenti imbullonati lunghi

Per studiare l'effetto della deformazione differenziale sulla resistenza complessiva del collegamento per i collegamenti imbullonati lunghi, viene utilizzato un semplice collegamento a giunzione di trazione. Il collegamento è composto da una piastra di prova imbullonata tra due piastre di reazione mediante una singola fila di bulloni A325 da 3/4 in. di diametro in fori standard, con i filetti non esclusi dal piano di taglio. Per studiare l'effetto della rigidezza della piastra sulla distribuzione delle forze sui singoli bulloni, sono stati analizzati spessori della piastra di prova di 1/2 in., 1 in. e 2 in. Lo spessore di ciascuna piastra di reazione è stato assunto pari alla metà dello spessore della piastra di prova. La larghezza di tutte le piastre era di 12 in. Una vista tridimensionale del collegamento con spessore della piastra di prova pari a 1 in. e lunghezza del collegamento pari a 27 in. è presentata nella Figura 1.

Figura 1 Vista tridimensionale del collegamento a giunzione di trazione (spessore della piastra di prova = 1 in., lunghezza del collegamento = 27 in.)

Il collegamento è stato progettato per collassare per taglio dei bulloni. Per garantire che la resistenza a taglio del bullone fosse determinante rispetto allo snervamento a trazione e alla rottura a trazione della piastra, è stato utilizzato un materiale ad alta resistenza con F_y = 100 ksi è stato selezionato per le piastre. La pressione sul foro e lo strappo nei fori dei bulloni sono stati verificati ma progettati per non essere determinanti mediante la selezione dei materiali e la previsione di un'adeguata spaziatura dei bulloni e distanza dal bordo. La distanza dal bordo nella direzione della forza era di 2-1/2 in., e la spaziatura dei bulloni era di 3 in. per tutti i collegamenti.

Sono stati analizzati diciassette collegamenti, con lunghezza crescente in incrementi di 3 in. tra 3 in. e 51 in. Poiché la spaziatura dei bulloni era sempre di 3 in., la lunghezza del collegamento corrisponde al numero di bulloni utilizzati (ad esempio, i collegamenti lunghi 27 in. hanno 10 bulloni). Un confronto tra la resistenza e la lunghezza del collegamento è presentato nella Figura 2, e le distribuzioni della forza di taglio dei bulloni (in ciascun piano di taglio) per lunghezze di collegamento di 12 in., 24 in., 36 in. e 48 in. sono presentate nella Figura 3

La resistenza secondo l'AISC Specification aumenta linearmente fino a una lunghezza del collegamento di 36 in., oltre la quale si verifica una brusca riduzione della resistenza dovuta al fattore di riduzione per la lunghezza di 0,833. Oltre questo punto, la resistenza continua nuovamente ad aumentare linearmente. Le resistenze di IDEA StatiCa si allineano bene con le resistenze AISC per lunghezze di collegamento più brevi, ma a differenza delle resistenze AISC, l'incremento di resistenza per i collegamenti più lunghi in IDEA StatiCa è non lineare. Il grado di non linearità dipende dalla rigidezza della piastra, poiché la rigidezza dei bulloni e della piastra è modellata realisticamente in IDEA StatiCa, cogliendo la distribuzione non uniforme delle forze sui bulloni.

Le distribuzioni della forza di taglio nella Figura 3 mostrano l'effetto della deformazione differenziale sulla forza nei singoli bulloni come rilevato dalle analisi di IDEA StatiCa, e come questo effetto sia influenzato dalla rigidezza della piastra. La forza nei bulloni alle estremità del collegamento è massima e diminuisce all'aumentare della distanza dalle estremità del collegamento alla posizione del bullone. Questo effetto è ridotto per le piastre più rigide.  

Con la modellazione esplicita della rigidezza dei bulloni e della piastra in IDEA StatiCa, il grado di riduzione della resistenza dovuto agli effetti della lunghezza dipende dalla dimensione dei bulloni in relazione alla dimensione delle piastre, oltre che dalla geometria del collegamento. La riduzione effettiva della resistenza dipende anche da questi parametri (Kulak et al. 2001). Le riduzioni semplificate nell'AISC Specification dipendono solo dalla lunghezza del collegamento. IDEA StatiCa mostra riduzioni maggiori di quelle specificate dall'AISC Specification, come evidenziato dal collegamento con la piastra di prova da 1/2 in. di spessore, e riduzioni inferiori a quelle specificate dall'AISC Specification, come evidenziato dal collegamento con le piastre di prova da 1 e 2 in. di spessore per un intervallo di lunghezze di collegamento superiori a 38 in. Da questi risultati è chiaro che IDEA StatiCa coglie l'intento della riduzione per effetti di lunghezza della nota [c] della Tabella J3.2 dell'AISC Specification. Si noti che il fattore di riduzione 0,9 per gli effetti di lunghezza incorporato in F_nv viene utilizzato in modo conservativo in IDEA StatiCa. Pertanto, per i collegamenti con lunghezza inferiore a 38 in., gli effetti di lunghezza vengono essenzialmente conteggiati due volte in IDEA StatiCa: una volta con il fattore di riduzione 0,9 e nuovamente modellando esplicitamente la distribuzione non uniforme delle forze nel gruppo di bulloni. Tuttavia, il fattore di riduzione 0,9 può anche tenere conto di altri effetti e non dovrebbe essere escluso senza ulteriori ricerche.

Figura 2 Confronto tra resistenza e lunghezza del collegamento per un collegamento a giunzione di trazione imbullonato

Figura 3 Distribuzioni della forza di taglio dei bulloni per lunghezze di collegamento di 12 in., 24 in., 36 in. e 48 in., per spessori della piastra di prova di 1/2 in., 1 in. e 2 in.

Confronto con i risultati sperimentali

Per approfondire l'indagine sui collegamenti imbullonati lunghi, questa sezione include confronti con risultati sperimentali precedentemente pubblicati. Per questi confronti, nelle analisi e nei calcoli sono state utilizzate le proprietà geometriche e dei materiali misurate e riportate dagli sperimentatori. La resistenza a taglio dei bulloni riportata dagli sperimentatori è stata determinata mediante prove a taglio su un singolo bullone prelevato dallo stesso lotto utilizzato per i provini. Pertanto, per i calcoli tradizionali, F_nv è assunto pari a 0,9 volte la resistenza a taglio del bullone riportata quando la lunghezza del collegamento è inferiore o uguale a 38 in., e pari a 0,833 volte questo valore (ovvero 0,75 volte la resistenza a taglio del bullone riportata) quando la lunghezza del collegamento è superiore a 38 in. Per le analisi di IDEA StatiCa, il modello è definito in modo che il valore di F_nv utilizzato nei calcoli della resistenza dei bulloni sia pari a 0,9 volte la resistenza a taglio del bullone riportata.

Per i calcoli tradizionali, i fattori di resistenza non sono stati applicati. Per le analisi di IDEA StatiCa, i fattori di resistenza per i materiali, i bulloni e le saldature sono stati impostati a 1,0 nella configurazione del codice.

Bendigo et al. 1963

Bendigo et al. (1963) hanno eseguito prove di trazione su collegamenti a giunzione imbullonati. Sedici piastre di larghezze e spessori variabili sono state caricate a trazione tra due piastre di reazione attraverso due file di bulloni A325 da 7/8 in. di diametro in fori standard da 15/16 in. di diametro. Quattro provini, D31, D41, D51 e D61, hanno ceduto per rottura a trazione della piastra, e i restanti hanno ceduto per taglio dei bulloni in almeno un bullone. La configurazione tipica del collegamento per i provini dello studio è presentata nella Figura 4(a), e una vista tridimensionale del modello IDEA StatiCa per il provino D101 è presentata nella Figura 4(b). Le proprietà geometriche e dei materiali dei provini sono presentate nella Tabella 1.

Figura 4 (a) Configurazione del collegamento per l'indagine sperimentale di Bendigo et al. (Bendigo et al., 1963); (b) vista tridimensionale del modello IDEA StatiCa per il provino D101

I sedici provini sono stati modellati in IDEA StatiCa. La resistenza di ciascun collegamento è stata anche calcolata secondo i calcoli tradizionali utilizzando le equazioni dell'AISC Specification con le proprietà geometriche e dei materiali misurate, ma senza fattori di resistenza. I risultati del confronto tra la resistenza sperimentale, P_exp, la resistenza di IDEA StatiCa, P_IDEA, e la resistenza dell'AISC Specification, P_AISC, sono presentati nella Tabella 2 e nella Figura 5.

Il limite di deformazione plastica del 5% ha controllato le resistenze di IDEA StatiCa, e lo snervamento a trazione ha controllato le resistenze AISC per tutti i provini. Sia le resistenze di IDEA StatiCa che quelle AISC sono significativamente inferiori alle resistenze sperimentali. Ciò è dovuto al fatto che nelle prove sperimentali, i modi di collasso per rottura a trazione e taglio dei bulloni si sono verificati a carichi ben superiori a quelli di snervamento della piastra. Le prove di Bendigo et al. (1963) sono state incluse nell'analisi per sviluppare i fattori di riduzione per gli effetti di lunghezza che compaiono nell'AISC Specification (Tide 2010). Come si vede nella Figura 3, la differenza nella forza dei bulloni tra i bulloni alle estremità e quelli centrali aumenta con la riduzione dello spessore (ovvero con la riduzione della rigidezza della piastra). I provini che mostrano il cedimento dei bulloni ben dopo lo snervamento della piastra possono evidenziare effetti di lunghezza esagerati.

Tabella 1 Proprietà geometriche e dei materiali dei provini per l'indagine sperimentale di Bendigo et al. (1963)

Tabella 2 Confronto con l'indagine sperimentale di Bendigo et al. (1963)

Figura 5 Confronto con l'indagine sperimentale di Bendigo et al. (1963)

Kulak e Fisher 1968

Kulak e Fisher (1968) hanno eseguito prove di trazione su collegamenti a giunzione imbullonati lunghi composti da una piastra di prova imbullonata tra due piastre di reazione con una fila di bulloni A490 da 7/8 in. o 1-1/8 in. di diametro. Anche queste prove sono state incluse nell'analisi per sviluppare i fattori di riduzione per gli effetti di lunghezza che compaiono nell'AISC Specification (Tide 2010), ma, a differenza delle prove di Bendigo et al. (1963), hanno utilizzato piastre ad alta resistenza.

Gli otto provini sono stati dimensionati per cedere per taglio dei bulloni o per rottura della piastra. I provini J071, J131 e J171 hanno ceduto per rottura della piastra, e i provini J072, J132, J172, J251 e J252 hanno ceduto per taglio dei bulloni. La configurazione tipica del collegamento per i provini dello studio è presentata nella Figura 6(a), e una vista tridimensionale del modello IDEA StatiCa per il provino J171 è presentata nella Figura 6(b). Le proprietà geometriche e dei materiali dei provini sono presentate nella Tabella 3.

Figura 6 Configurazione del collegamento per l'indagine sperimentale di Kulak e Fisher (Kulak e Fisher, 1968); (b) vista tridimensionale del modello IDEA StatiCa per il provino J171

I provini sono stati modellati in IDEA StatiCa. La resistenza di ciascun collegamento è stata anche calcolata secondo i calcoli tradizionali utilizzando le equazioni dell'AISC Specification con le proprietà geometriche e dei materiali misurate. I risultati del confronto tra la resistenza sperimentale, P_exp, la resistenza di IDEA StatiCa, P_IDEA, e la resistenza dell'AISC Specification, P_AISC, sono presentati nella Tabella 4 e nella Figura 7.

Le resistenze di IDEA StatiCa sono conservative rispetto alle prove sperimentali per tutti i casi. Le resistenze di IDEA StatiCa si allineano bene con le resistenze AISC per i provini J071, J072, J131 e J171, e sono superiori alle resistenze AISC per i provini J132, J172, J251 e J252. La lunghezza del collegamento è inferiore a 38 in. per i provini J071 e J072, pertanto la riduzione dell'83,3% della capacità a taglio dei bulloni non viene applicata. Per i provini J131 e J171, la lunghezza del collegamento è superiore a 38 in., ma la rigidezza della piastra (ovvero l'area della sezione trasversale) è relativamente ridotta. Pertanto, le resistenze di IDEA StatiCa si allineano o sono leggermente inferiori alle resistenze AISC per questi casi. Per i provini J132, J172, J251 e J252, le resistenze di IDEA StatiCa sono superiori alle resistenze AISC perché le piastre sono più rigide (ovvero hanno aree della sezione trasversale maggiori).

Tabella 3 Proprietà geometriche e dei materiali dei provini per l'indagine sperimentale di Kulak e Fisher (1968)

Tabella 4 Confronto con l'indagine sperimentale di Kulak & Fisher (1968)

Figura 7 Confronto con l'indagine sperimentale di Kulak e Fisher (1968)

Collegamenti saldati lunghi

Per studiare l'effetto della distribuzione non uniforme delle tensioni lungo la lunghezza del collegamento per una saldatura caricata a trazione, viene utilizzato un semplice collegamento a giunzione saldata. Il collegamento è composto da una piastra di prova saldata tra due piastre di reazione con saldature d'angolo su ciascun bordo delle piastre di reazione. Questa configurazione prevede un gruppo di saldature caricato centricamente con un totale di quattro linee di saldatura nel collegamento. Si noti che per la valutazione della lunghezza efficace della saldatura, la lunghezza effettiva della saldatura del collegamento è uguale alla lunghezza di una singola linea di saldatura nel gruppo.

Sono state studiate dimensioni della saldatura di 3/16 in. (Collegamento A) e 3/8 in. (Collegamento B). I collegamenti sono stati dimensionati e le proprietà dei materiali sono state scelte in modo che lo stato limite di rottura della saldatura fosse determinante rispetto allo snervamento a trazione delle piastre per i calcoli tradizionali. Le proprietà geometriche e dei materiali utilizzate per i collegamenti sono presentate nella Tabella 5, e una vista tridimensionale del Collegamento A con lunghezza della saldatura pari a 18 in. è presentata nella Figura 8.

Tabella 5 Proprietà geometriche e dei materiali per i collegamenti saldati

Figura 8 Vista tridimensionale di un collegamento a giunzione saldata

Per il Collegamento A, sono state analizzate quattordici lunghezze di saldatura, con incrementi di 4 in. tra 10 in. e 62 in. Per il Collegamento B, sono state analizzate tredici lunghezze di saldatura, con incrementi di 10 in. tra 10 in. e 130 in. Un confronto tra la resistenza e la lunghezza della saldatura è presentato nella Figura 9 per il Collegamento A e nella Figura 11 per il Collegamento B. Le distribuzioni delle tensioni lungo la lunghezza della saldatura sono presentate per diverse lunghezze di saldatura nella Figura 10 per il Collegamento A e nella Figura 12 per il Collegamento B.

I Collegamenti A e B mostrano un comportamento simile. Per lunghezze di saldatura più brevi, le resistenze di IDEA StatiCa si allineano bene con i calcoli tradizionali. Tuttavia, le resistenze di IDEA StatiCa diventano conservative rispetto ai calcoli tradizionali all'aumentare della lunghezza della saldatura. Le resistenze dei calcoli tradizionali raggiungono un plateau a una lunghezza di saldatura di 300w, rappresentata da una linea tratteggiata verticale nelle Figure 9 e 11. La distribuzione delle tensioni lungo la lunghezza della saldatura è non lineare perché IDEA StatiCa modella esplicitamente la rigidezza della saldatura e della piastra. Per questo motivo e a causa della relazione carico-deformazione relativamente conservativa utilizzata in IDEA StatiCa per le saldature caricate in direzione longitudinale, le resistenze di IDEA StatiCa raggiungono un plateau a lunghezze di saldatura molto inferiori a 300w. Come mostrato nelle Figure 10 e 12, le saldature più corte presentano una distribuzione delle tensioni relativamente uniforme, con tensioni leggermente più elevate nei segmenti alle estremità della linea di saldatura. All'aumentare della lunghezza della saldatura, la distribuzione delle tensioni lungo la linea di saldatura diventa significativamente più non uniforme, con tensioni elevate nei segmenti alle estremità e tensioni minime in prossimità della zona centrale. La brusca variazione nella distribuzione delle tensioni visibile nelle Figure 10 e 12 per le saldature più lunghe si trova al confine tra i segmenti di saldatura che rimangono in campo elastico e i segmenti di saldatura che subiscono deformazioni plastiche. Il limite di IDEA StatiCa per la resistenza della saldatura viene raggiunto quando lo sfruttamento del segmento di saldatura più sollecitato raggiunge il 100%. Pertanto, per le saldature più lunghe, possono esserci ampie porzioni della linea di saldatura che presentano basse tensioni al carico associato al 100% di sfruttamento del segmento di saldatura più sollecitato. Il profilo di distribuzione delle tensioni nella verifica normativa di IDEA StatiCa mostra questo comportamento non lineare e dovrebbe essere esaminato quando si formulano giudizi ingegneristici riguardo alla resistenza della saldatura in IDEA StatiCa.

Figura 9 Resistenza vs. lunghezza della saldatura per il Collegamento A

Figura 10 Distribuzioni delle tensioni lungo la lunghezza della saldatura per il Collegamento A con lunghezze di saldatura di 18 in., 30 in., 42 in. e 54 in., unità in ksi

Figura 11 Resistenza vs. lunghezza della saldatura per il Collegamento B

Figura 12 Distribuzioni delle tensioni lungo la lunghezza della saldatura per il Collegamento B con lunghezze di saldatura di 20 in., 40 in., 60 in. e 80 in., unità in ksi

Sintesi

Questo studio valuta la resistenza dei collegamenti imbullonati e saldati lunghi mediante i metodi di calcolo tradizionali utilizzati nella pratica statunitense e IDEA StatiCa. Le principali osservazioni dello studio includono:

Per i collegamenti imbullonati:

• IDEA StatiCa modella esplicitamente la rigidezza dei bulloni e delle piastre; pertanto, gli effetti di lunghezza sono colti naturalmente dalle diverse resistenze richieste per ciascun bullone e non dall'applicazione del semplice fattore di riduzione basato esclusivamente sulla lunghezza del collegamento nell'AISC Specification.
• La resistenza in IDEA StatiCa è risultata conservativa rispetto alla resistenza calcolata con i metodi tradizionali per la maggior parte dei casi.
• La resistenza in IDEA StatiCa è risultata superiore alla resistenza calcolata con i metodi tradizionali per alcuni casi in cui la lunghezza del collegamento superava 38 in. e venivano utilizzate piastre più spesse.
• Le resistenze di IDEA StatiCa sono risultate conservative rispetto alle prove fisiche eseguite da Bendigo et al. (1963) e Kulak e Fisher (1968).

Per i collegamenti saldati:

• IDEA StatiCa modella esplicitamente la rigidezza delle saldature e delle piastre; pertanto, gli effetti di lunghezza sono colti naturalmente dalle diverse resistenze richieste per ciascun segmento di saldatura e non dall'applicazione dei semplici fattori di riduzione basati esclusivamente sul rapporto tra la lunghezza della saldatura e la dimensione della saldatura nell'AISC Specification.
• La resistenza in IDEA StatiCa è risultata conservativa rispetto alla resistenza calcolata con i metodi tradizionali per i casi analizzati.
• La resistenza in IDEA StatiCa è risultata più conservativa per lunghezze di saldatura maggiori a causa dell'effetto della distribuzione non lineare delle tensioni tra i segmenti di saldatura e della relazione carico-deformazione relativamente conservativa per le saldature caricate longitudinalmente utilizzata nelle analisi di IDEA StatiCa.

Riferimenti

AISC (2022), Specification for Structural Steel Buildings, American Institute of Steel Construction, Chicago, IL.

Bendigo, R. A., Hansen, R. M., and Rumpf, J. L. (1963). "Long Bolted Joints." Journal of the Structural Division, ASCE, 89(6), 187–213.

CEN (2005), Eurocode 3: Design of Steel Structures, Comité Européen de Normalisation, Brussels, Belgium.

Kulak, G. L. and Fisher, J. W. (1968). "A514 Steel Joints Fastened by A490 Bolts." Journal of the Structural Division, ASCE, 94(10), 2303-2324.

Kulak, G. L., Fisher, J. W., Struik, J. H. A. (2001) "Guide to Design Criteria for Bolted and Riveted Joints" Second Edition, American Institute of Steel Construction, Chicago, IL.

Miller, D. K. (2003). "Fillet Welds that are 'Too Long.'" Modern Steel Construction, March.

Tide, R. H. (2010). "Bolt Shear Design Considerations." Engineering Journal, AISC, 47(1), 47-63.